GC-MS和電子鼻聯用對番茄醬風味品質的研究

舒娜，顏娜，望詩琪，張振東，余海忠，郭壯（湖北文理學院食品科學技術學院鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北襄陽441053）

番茄醬是以成熟的番茄（Lycopersicon esculentum Mill）為原料，經清洗、打漿、去皮、去籽、濃縮后，灌裝、密封、殺菌或無菌灌裝而制成的罐頭食品，按照可溶性固形物含量可分為低濃度、中濃度、高濃度和特高濃度番茄醬[1]。番茄醬作為調味醬具有酸甜的口感，并富含豐富的維生素、番茄紅素和纖維素等營養成分[2]，因而深受廣大消費者的喜愛。番茄醬在滋味[3]、風味[4]和色澤[5]等方面的優劣直接影響了消費者對其品牌的喜愛程度。近年來，研究人員對于番茄醬展開了系列的研究，探討了貯藏溫度[6]、光照[7]、包裝材料[8]和原料[9]對番茄醬品質的影響。劉夢婷等[10]和王念等[11]亦通過電子舌和質構儀分別對市售番茄醬的滋味品質和質構特性進行了研究，然而目前少有針對番茄醬風味品質評價的研究報道。

研究人員通常采用感官鑒評法對市售番茄醬樣品的風味品質進行判別，但感官鑒評對品鑒人員要求過高，且容易受到主觀因素的影響。近年來，對于食品中揮發性風味物質的研究大多采用電子鼻[12]和氣相色譜-質譜聯用技術（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）[13]，GC-MS 目前已經在物質提純[14]、嬰兒食品[15]、農殘檢測[16]和啤酒風味改善[17]方面有了廣泛的應用；電子鼻亦廣泛應用于乳制品[18]、果蔬制品[19]和飲料[20]等產品的風味評價。

本研究使用GC-MS和電子鼻聯用技術，并采用多元統計學方法對市售番茄醬風味品質進行判別，對造成市售番茄醬風味品質存在差異的揮發性風味物質進行甄別，以期對后續番茄醬品質的改善和提升提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

分別從襄陽市武商購物廣場、沃爾瑪廣場和萬達廣場采集了19個品牌的番茄醬樣品各1個，共計19個；氯化鈉：國藥集團化學試劑有限公司。

GCMS-QP2020氣相色譜質譜聯用儀[配有電子轟擊電離源 EI、SH-Rtx-Wax（30 m×2.25 mm×0.25 μm）色譜柱和HS-20頂空進樣器]：日本島津公司；PEN3電子鼻（配備10個金屬氧化傳感器）：德國Airsense公司；BAS224S-CW內校型分析天平：德國賽多利斯科學儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋：常州智博瑞儀器制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 基于電子鼻技術市售番茄醬中敏感類型物質檢測

稱取25 g市售番茄醬樣品加入120 mL電子鼻樣品瓶中，放置于55℃數顯恒溫水浴鍋中水浴加熱20 min，25℃下平衡10 min后插入電子鼻探頭對市售番茄醬樣品中揮發性風味物質進行采集，并由10個金屬氧化電極對其進行數據采集和分析。電子鼻測定樣品時會進行95 s的自動清潔，然后進行90 s自動分析，金屬氧化電極每秒測定一個響應值，連續測定90 s，響應曲線在60 s后達到穩定，因此本研究選取64、65 s和66 s時的響應值，并計算其平均值為測定值。

1.2.2 基于GC-MS技術市售番茄醬揮發性風味物質檢測

頂空進樣：準確稱取10 g市售番茄醬樣品和3 g氯化鈉攪拌均勻后加入25 mL GC-MS樣品瓶中，采用帶特氟龍的鋁帽封口，55℃振蕩預熱20 min，平衡3 min，進樣量1 μL，進樣口解析5 min后進入GC-MS分析。

GC條件為溫控程序：開始溫度33℃保持4 min，以3℃/min升溫到50℃保持10 min，以10℃/min升到120℃不保持，然后以12℃/min升到200℃保持7 min；進樣方式：分流進樣；分流比為 10∶1；進樣口溫度：180℃；傳輸線溫度：150℃；載氣流量：1.0 mL/min。

MS條件：EI離子源；離子源溫度230℃；連接口溫度260℃；電子轟擊能量：70 eV；質量掃描范圍33.00 amu～450 amu；采集方式：Q3 Scan；采用保留指數和NIST14標準質譜庫定性，并采用峰面積歸一化對樣品中揮發性風味物質相對含量進行分析。

1.2.3 統計學方法

使用非加權組平均法（unweightedpair-groupmethod with arithmetic means，UPGMA）對市售番茄醬整體性風味品質進行區分，使用主成分分析法（principal component analysis，PCA）和多元方差分析（multivariate analysis of variance，MANOVA）對隸屬于不同聚類中市售番茄醬整體性風味品質進行分析，采用熱圖和Kruskal-Wallis檢驗對造成市售番茄醬風味品質差異的關鍵指標進行甄別。

使用PAST 3軟件做主成分分析，其他分析均使用MATLAB 2017b軟件；使用MATLAB 2017b軟件繪制熱圖，其他圖均使用origin 8.5繪制。

2 結果與討論

2.1 基于GC-MS技術市售番茄醬揮發性風味物質分析

本研究首先使用GC-MS技術對市售番茄醬中揮發性風味物質種類及含量進行了測定，共檢測出了61種揮發性風味物質，其中酸類、醇類、醛酮類、烴類、酯類和其他分別為1、8、13、17、7種和15種，平均相對含量分別為 62.73%、5.76%、11.15%、3.64%、5.11%和11.61%。由此可知，市售番茄醬中主要揮發性風味物質為酸類和醛酮類化合物，其中平均相對含量高于1.0%的揮發性風味物質及相對含量如圖1所示。

圖1 市售番茄醬中主要揮發性風味物質的相對強度Fig.1 The relative abundance of major volatile components in commercial ketchup

由圖1可知，市售番茄醬中平均相對含量大于1.0%的揮發性風味物質共有7種，分別為醋酸、甲硫醚、甲基庚烯酮、3-丁炔-1-醇、乙酸乙酯、丙酮和D-檸檬酸，其平均相對含量分別為62.73%、7.95%、5.94%、5.16%、4.91%、3.63%和1.89%。番茄醬在制作過程中會適當添加一定量的醋酸以增加其番茄醬特有的風味，這可能是導致市售番茄醬中醋酸含量較高的主要原因。

2.2 基于電子鼻技術市售番茄醬風味品質區分度分析

在使用GC-MS技術對市售番茄醬揮發性風味物質種類和相對含量進行分析的基礎上，本研究進一步采用電子鼻技術對番茄醬樣品中揮發性物質的類型進行了測定，并結合UPGMA聚類分析對19個市售番茄醬風味的區分度進行了評價，其結果如圖2所示。

圖2 基于UPGMA的市售番茄醬聚類分析Fig.2 Cluster analysis of commercial ketchup based on UPGMA

由圖2可知，19個番茄醬樣品整體上可劃分為3個聚類，隸屬于聚類Ⅰ的樣品有4#、5#、6#、8#和9#5個樣品，隸屬于聚類Ⅱ的樣品有 1#、3#、11#、12#、13#、15#、16#和17#8個樣品，而隸屬于聚類Ⅲ的樣品則分別為 2#、7#、10#、14#、18# 和 19#。采用 MANOVA發現，隸屬于不同聚類的番茄醬樣品其風味差異顯著（P＜0.05），這說明隸屬于不同聚類的番茄醬樣品其風味品質存在顯著差異。本研究進一步以聚類結果為分組依據，結合PCA和Kruskal-Wallis檢驗對市售番茄醬風味品質進行了評價，進而對隸屬于不同聚類間番茄醬的風味品質優劣進行了評判，主成分的方差貢獻率如表1所示。

表1 主成分的方差貢獻率Table 1 Variance contribution of principal components

由表1可知，主成分PC1和PC2的特征值大于1，總方差98.03%的貢獻率來自前2個主成分，其方差貢獻率分別為94.77%和3.26%，說明前2個主成分代表了絕大部分原始變量的信息，因此構成市售番茄醬的典型物質類型由初始的10個降為2個相關的主成分，達到了降維的目的。基于PCA的市售番茄醬風味品質的PC1和PC2因子載荷圖如圖3所示。

圖3 基于PCA的PC1和PC2因子載荷圖Fig.3 Factor loading diagram of PC1 and PC2 based on PCA

由圖3可知，PC1主要是由W1C（對芳香類物質靈敏）、W2S（對乙醇靈敏）、W3C（對芳香類物質靈敏）、W1S（對甲烷類靈敏）和W6S（對氫氣有選擇性）5個金屬傳感器構成；而PC2主要是由W5C（對芳香類物質靈敏）、W3S（對烷烴類物質靈敏）、W2W（對有機硫化物靈敏）、W5S（對氫氧化物靈敏）和W1W（對有機硫化物敏感）5個傳感器構成。PC1中載荷較高的正相關指標主要是W1S和W2S，其中W1S的載荷量相對較高為0.87，即PC1的主要差異集中在甲烷類物質、醇類和醛酮類物質；PC2中載荷較高的正相關指標為W2W、W5S和W1W，其中W1W的載荷量相對較高為0.78，即PC2的差異主要集中在有機硫化物、萜類物質和氫氧化物。基于PCA的PC1和PC2因子得分圖如圖4所示。

由圖4可知，在水平方向上，隸屬于聚類I、聚類III和聚類II的樣品由右向左依次分布，結合因子載荷圖，可以定性的認為越偏向X軸正方向番茄醬樣品中醇類和甲烷類物質含量越高。GB/T14215-2008《番茄醬罐頭》要求優級和一級番茄醬罐頭均應具有番茄醬特有的滋味和氣味且無異味。由此可見，隸屬于聚類II的番茄醬樣品具有最佳的風味品質，其次為隸屬于聚類III的樣品，而隸屬于聚類I的番茄醬樣品其風味品質最差。本研究進一步使用Kruskal-Wallis檢驗對各傳感器對隸屬于不同聚類番茄醬樣品響應值的差異性進行了分析，結果如表2所示。

圖4 基于PCA的PC1和PC2因子得分圖Fig.4 Factor scores diagram of PC1 and PC2 based on PCA

表2 基于電子鼻技術各傳感器對隸屬于不同聚類番茄醬樣品響應值的差異性分析Table 2 Significance analysis of each sensor response in commercial ketchup samples belong to different clusters based on electronic nose

由表2可知，金屬傳感器W1C、W3C和W5C對隸屬于聚類II的番茄醬樣品響應值顯著偏高（P＜0.05），而金屬傳感器W1S、W1W、W2S和W2W呈現出相反的趨勢（P＜0.05）。由此可見，隸屬于聚類II的番茄醬樣品其芳香類物質含量較高，而有機硫化物、甲烷類和乙醇類物質的含量較低。高級醇類化合物其感官閾值較高，對于番茄醬的揮發性風味品質貢獻較小，只有極少數不飽和醇類物質的感官閾值相對較低，對番茄醬風味品質貢獻較大。烷烴類物質、氫氣和氫氧化物因其感官閾值較高、香氣較弱且相對含量較低，即不作為番茄醬的呈香物質。含硫化合物具有易辨別的特殊氣味，可以增強蔬菜的風味，是洋蔥和大蒜等食物的代表性風味物質，具有一定的刺激性氣味。由此可見，隸屬于聚類II的番茄醬樣品風味品質最佳。

2.3 不同聚類番茄醬揮發性風味物質的差異性分析

本研究進一步對造成市售番茄醬風味品質差異的揮發性物質進行分析，番茄醬中平均相對含量大于1.0%揮發性風味物質相對強度的熱圖如圖5所示。

由圖5可知，隸屬于不同聚類的番茄醬樣品其醋酸、甲硫醚、甲基庚烯酮、乙酸乙酯和丙酮相對含量存在顯著差異（P＜0.05），隸屬于聚類Ⅱ中的番茄醬樣品其醋酸平均相對含量最低，而甲基庚烯酮和甲硫醚含量顯著高于隸屬于聚類I的樣品（P＜0.05）。醋酸廣泛的分布于自然界中，其感官閾值較低，當濃度過高時具有強烈的刺激性醋酸味；甲硫醚本身具有不愉快的氣味，但極度稀釋以后具有蔬菜味的香氣，常用調配食用香精；酮類物質化合物較為穩定，并且香氣持久，一般具有花香氣味，甲基庚烯酮具有芳香氣息。

圖5 市售番茄醬中平均相對含量大于1.0%揮發性風味物質相對強度的熱圖Fig.5 Heat map of volatile components with average relative abundance greater than 1.0%in commercial ketchup samples

3 結論

市售番茄醬風味品質存在較大的差異，經電子鼻分析發現風味品質較佳的番茄醬應具有較高的芳香類物質且有機硫化物、甲烷類和乙醇類物質含量較低，經GC-MS分析發現風味品質較佳的番茄醬揮發性風味物質中甲基庚烯酮和甲硫醚相對含量較高且醋酸含量偏低。